CN102716771A - 实现高温高压的连续流动型微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现高温高压的连续流动型微流控芯片及其制备方法。该微流控芯片包括入口、混合区、加热区、增压区和出口；混合区实现反应物的混合，加热区提供高温的反应环境，增压区为加热区提供高压环境；加热区和和增压区设有测温传感电阻。该方法首先通过光刻和DRIE定义微流体通道图形；然后通过硅-玻璃阳极键合制作微流体通道；再采用PECVD淀积SiO₂并剥离制作传感电阻和加热电阻；最后通过光刻和DRIE制作入口和出口。本发明可高效、安全地实现各类需要在高温高压下进行的化学、生物反应。

Description

实现高温高压的连续流动型微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微全分析系统领域，具体涉及一种连续流动型微流控芯片及其制备方法，可高效、安全地实现各类需要在高温高压下进行的化学、生物反应。

背景技术

微流控芯片是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成在一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种迅速发展的高新技术，是多学科交叉科技前沿领域之一。微流控芯片在生物医学领域可以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到微升甚至纳升级，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化学领域可以在一块小的芯片上使用很少量样品和试剂，并在很短的时间同时完成大量实验，并且由于排污很少，也是一种环保的“绿色”技术。

高温高压环境可以增大很多化学反应的速率，改善各类反应的进行。但由于严格的安全预防要求，高压化学反应需要特殊的、复杂的、昂贵的设备，因此化学反应单元小型化到微米级可以提供大量的优势。在已有文献中仅有有限的信息记载了高压化学反应的微流体器件，Roald M.Tiggelaar等人（Roald M.Tiggelaar,Fernando Benito-Lopez,et al;Fabrication,mechanical testing and application of high-pressure glass microreactor chips,Chemical EngineeringJournal 131(2007)163-170.）实现了能够达到90bar工作压强的基于玻璃的微反应芯片，但芯片内反应温度最高仅为100℃。到目前为止，利用高压环境来提高反应液体沸点，从而在在高压、高温（可达100℃以上）环境下进行化学反应，且工艺成熟、可批量化生产的集成化微流控芯片尚未出现。目前存在的相应装置，由于材料的化学不兼容性等限制，没有有效的方法同时实现高温、高压环境，且结构复杂庞大，制作工艺较为困难，操作不便。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种连续流动式的、实现高温高压反应环境的微流控芯片及其制备方法，利用流体通道提供的高压环境，实现片上高温、高压环境下进行的各类化学、生物反应。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种连续流动型微流控芯片，包括入口、混合区、加热区、增压区和出口，各部分之间通过微流体通道依次连接；

所述混合区实现反应物的混合；

所述加热区设有加热电阻，提供高温的反应环境；

所述增压区为高流阻区，为所述加热区提供高压环境；

所述加热区和所述增压区分别设有测温传感电阻。

进一步地，所述入口为两个，分别输入两种参与反应的液体。

进一步地，所述加热区与所述增压区通过所述混合区隔开；所述混合区与所述加热区之间，以及所述混合区与所述增压区之间设有隔热槽。

进一步地，在连接加热区与增压区的通道上设有测温传感电阻，用于辅助了解微流控芯片的温度分布。

进一步地，在所述增压区设有加热电阻，用于通过改变增压区微流体通道内液体温度来改变液体粘度，从而改变增压区压强提升值。

进一步地，所述加热电阻和所述测温传感电阻为Pt电阻。

一种制备上述连续流动型微流控芯片的方法，其步骤包括：

1）对硅片进行光刻和DRIE（深反应离子刻蚀，Deep reactive-ion etching）刻蚀，定义微流体通道图形；

2）通过硅-玻璃阳极键合制作混合区、加热区和增压区的微流体通道；

3）采用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）方法淀积SiO₂，然后在SiO₂上剥离制作测温传感电阻和加热电阻；

4）通过光刻和DRIE刻蚀方法制作入口、出口。

进一步地，所述连续流动型微流控芯片的制备方法还包括：通过光刻和深反应离子刻蚀制作隔热槽。

进一步地，在所述入口处粘合有机玻璃(PMMA)模具。

本发明的微流控芯片利用了流体通道提供的高压环境，提供了一个在高温、高压环境下进行化学、生物反应的良好实验平台，其优点和积极效果如下：

a）反应物质可在微流通道内连续流动，可实现片上高温(100℃以上)高压(2atm-15atm)环境下进行的、微量的各类化学、生物反应；

b）可以通过MEMS（微机电系统）工艺制作，制作工艺成熟，适于批量化生产；

c）采用Pt电阻加热，温度由外加电压灵活控制；采用Pt电阻传感，灵敏性较好，可实时监测各区温度；

d）通过刻断硅面得到的隔热槽，对混合区、加热区和增压区三个区域之间实现最大程度的隔热，各区域之间温度影响小。

附图说明

图1为本发明实施例的微流控芯片的版图示意图。

图2为图1中增压区及出口的扫描电子显微图像（SEM）。

图3为图1中微流控芯片入口的扫描电子显微图像。

图4为图1中混合区与加热区之间接口过渡通道的扫描电子显微图像。

图5为本发明实施例的微流控芯片的制备过程示意图。

附图标记说明：

1.入口；2.混合区；3.加热区；4.加热区加热电阻；5.加热区测温传感电阻；6.辅助测温传感电阻；7.隔热槽；8.增压区；9.出口；10.增压区测温传感电阻；11.增压区加热电阻；12.增压区连接加热区的通道；13.入口过滤结构；14.加热区与混合区过渡通道。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明作进一步说明。

图1为本实施例的实现高温高压反应环境的微流控芯片的版图示意图。如该图所示，该微流控芯片包括入口1、混合区2、加热区3、加热区加热电阻4、加热区测温传感电阻5、辅助测温传感电阻6、隔热槽7、增压区8、出口9、增压区测温传感电阻10、增压区加热电阻11.。本微流控芯片的制备采用三块光刻版，第一块光刻板定义各区域微流体通道图形，第二块光刻版定义加热及传感电阻，第三块光刻版定义出入口及隔热槽位置结构。图1所示版图为三块光刻版的重叠结果。

如图1所示，参与反应的液体样品分别从两个入口1进入，依次经过混合区2、加热反应区3和增压区8的微流通道，实现混合、反应以及降温的过程。混合区不采取特殊的混合结构，仅利用溶液中离子的自由扩散来实现反应物的充分混合。加热区设有加热电阻4和测温传感电阻5，可提供高温（100℃以上）的反应环境，并对温度进行实时检测。增压区域为高流阻区，可以利用高流阻迅速提升压力，以确保上游加热区的压强近似恒定且高于使工质的沸点高于工作温度所需的压强，并使压强保持近似恒定。同时，因为增压区硅的温度比较低（整个芯片的最低部分）、通道小，所以液体的温度与硅的温度一样，使得增压区还具有降温工质的功能，避免溶液在该区域发生沸腾而导致通道堵塞。

图2为图1中微流控芯片的增压区及出口的扫描电子显微图像（SEM）。其中，9为微流控芯片出口，8为增压区的微流通道，12为增压区连接加热区的通道。

图3为图1中微流控芯片入口的扫描电子显微图像。其中，1为入口，13为入口过滤结构。该过滤结构是为了过滤掉入口溶液中可能存在的杂质，防止通道堵塞，制作过程中只是刻蚀较窄的通道，工艺与刻蚀其他通道相同。图4示意了混合区和加热区之间的接口通道电镜照片，其中2为混合区，3为加热区，14为混合区和加热区之间的过渡通道。

上述实施例中，加热电阻4和11采用Pt电阻。加热电阻4覆盖整个加热区，对加热区3进行均匀加热。由于温度会影响溶液的粘度，且粘度与压差成正相关，升高增压区的溶液温度可降低溶液粘度，对应降低增压区带来的增压值；因此，加热电阻11对增压区进行加热，可通过调节温度得到不同的压强。在其它实施例中，加热电阻也可以采用Pt电阻之外的其它电阻。

上述实施例中，测温传感电阻5、6和10优选采用Pt电阻，其对温度敏感性大，适于实时检测芯片相应位置的温度。加热区和增压区的测温传感电阻，用于监控加热区的高温和增压区的低温，对增压区温度的检测可避免该区域温度过高时（超过100℃）导致的芯片堵塞失效；测温传感电阻6设于连接加热区与增压区的通道上，用于辅助了解芯片的温度分布。

上述实施例中，在加热区进行反应所需的高温值可有外加电压控制，但溶液沸点由增压区通道深度和长度决定，制作芯片过程中刻蚀不同通道深度、长度以及实验过程中改变流量均可完成各类型高温高压值芯片的设计。

上述实施例中，微流控芯片中入口有两个，但在其它实施例中，也可根据反应的需要设置成多个入口。

上述实施例中，芯片中有100℃以上（加热区）和100℃以下（增压区）两个工作区域，为了尽量降低出口的温度，需将增压区域与加热区域分离在两个独立的区域，并拉大距离，故将混合区设置在两者之间，如图1所示，以利于在隔热性能达不到目标时在增压区施加制冷源。目标加热区域和增压区域之间的混合区域对温度没有特定的要求，在这里同时起到了隔离的作用。三个区域之间通过刻蚀穿通硅面做了最大化的隔断（即设置了隔热槽7），以期得到较好的隔热性能。由于隔热槽的存在，加热区通过外加电压加热到高温以后，比如140℃时，增压区（接近出口处）的温度约为60℃-70℃，反应液体不会沸腾，即出口处不会发生堵塞。在其它实施例中，采用其它的分布形式，比如混合区、加热区和增压区分别位于芯片的上部、中部和下部，也是可以的，本发明不以此为限。

图5为上述实施例中微流控芯片的制备过程示意图，其步骤包括：

1）对硅片进行光刻和DRIE刻蚀，定义微流体通道图形，如图5(a)所示；

2）通过硅-玻璃键合制作混合区、加热区和增压区的微流体通道，如图5(b)所示。

该步骤中，将光刻并DRIE刻蚀之后的硅片与玻璃阳极键合，以获得微流体通道。阳极键合是将两种不同材料的晶圆在高温下通过施加高电压牢固地结合在一起，是一种半导体加工工艺，同时用于微机电系统的加工。将玻璃和Si底板的研磨面重叠，加热并施加电压，可实现共价键的强力键合。该步骤中，制作的不同区域的通道深度可以选择相同，比如为20μm。混合区通道长度尽量使混合液体充分混合，本实施例中为270mm。加热区长度由加热反应时间限制，本实施例中为432mm。增压区的通道深度和长度可以决定在加热区进行反应的溶液沸点，制作增压区过程中刻蚀不同通道深度、长度以及实验过程中改变流量均可完成各类型高温高压值芯片的设计。本实施例中增压区的通道宽5μm、长40mm,深度有20μm和40μm两种，其尺寸可根据本领域技术人员具体需要而改变。

3）采用PECVD方法淀积SiO₂，然后在SiO₂上剥离制作测温传感电阻和加热电阻Pt，如图5(c)所示。该步骤利用光刻技术定义侧电极（加热传感电阻）图形，之后溅射金属材料，再进行剥离操作得到电阻图形。用于加热的Pt电阻覆盖整个加热区，均匀加热，用于测温的Pt电阻线淀积在各个区域，实时检测芯片各处温度。

4）通过光刻和DRIE刻蚀，制作入口、出口和隔热槽，如图5(d)所示。DRIE刻蚀硅/玻璃键合片的硅面，至硅穿通，得到出入口结构与隔热槽。入口采用有机玻璃PMMA模具粘合，选择704硅橡胶作为封装粘接剂，可承受1MPa以上高压。出口处压强为一个大气压，不需要强胶粘接。最终制成的整个芯片以玻璃作为支撑结构。

上述连线流动型微流控芯片提供100℃以上的高温和2atm以上的高压。下面以根据热消解原理测量水样中总磷的实验为例，说明上述微流控芯片的工作过程：

1）将微流控芯片平放于试验台上，两个入口处分别通过注射泵注入一定浓度的水样和过硫酸钾溶液；调整注射泵流速（如8nL/s或5nL/s）可实现调节不同的压强值、工作时间和两种液体的进样比；

2）两种进样在混合区通过扩散进行充分混合，之后进入加热区进行反应，加热区通过外加功率（约1-2W）加热到约140℃以上，水样在反应区消解之后，流体通道内液体经过增压区降温，从出口即可收集到反应产物，从而进行后续检测等试验；

3）在整个实验过程中，通过测温传感电阻Pt，实时检测各处的温度值，避免芯片发生堵塞故障。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种连续流动型微流控芯片，其特征在于，包括入口、混合区、加热区、增压区和出口，各部分之间通过微流体通道依次连接；

所述混合区实现反应物的混合；

所述加热区设有加热电阻，提供高温的反应环境；

所述增压区为高流阻区，为所述加热区提供高压环境；

所述加热区和和所述增压区设有测温传感电阻。

2.如权利要求1所述的连续流动型微流控芯片，其特征在于，所述入口为两个，分别输入两种参与反应的液体。

3.如权利要求1或2所述的连续流动型微流控芯片，其特征在于，所述混合区将所述加热区与所述增压区隔开。

4.如权利要求3所述的连续流动型微流控芯片，其特征在于，所述混合区与所述加热区之间，以及所述混合区与所述增压区之间设有隔热槽。

5.如权利要求1所述的连续流动型微流控芯片，其特征在于，在连接所述加热区与所述增压区的通道上设有测温传感电阻，用于辅助了解所述微流控芯片的温度分布。

6.如权利要求1所述的连续流动型微流控芯片，其特征在于，在所述增压区设有加热电阻，用于改变所述增压区的压强提升值。

7.如权利要求1、5或6所述的连续流动型微流控芯片，其特征在于，所述加热电阻和所述传感电阻为Pt电阻。

8.一种连续流动型微流控芯片的制备方法，其步骤包括：

1）对硅片进行光刻和DRIE刻蚀，定义微流体通道图形；

2）通过硅-玻璃阳极键合制作混合区、加热区和增压区的微流体通道；

3）采用等离子体增强化学气相沉积方法淀积SiO₂，并在SiO₂上剥离制作测温传感电阻和加热电阻；

4）通过光刻和深反应离子刻蚀制作入口和出口。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过光刻和深反应离子刻蚀制作隔热槽。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述入口处粘合有机玻璃模具。

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